有源电力滤波器的仿真研究

摘要：实践表明，电网会由于大量使用电力电子器件和设备而产生严重的谐波，目前谐波已成为影响电能质量的主要因素。有源电力滤波器是谐波治理有效的手段之一，本文利用MATLAB搭建了应用于单相整流电路带电阻负载时的仿真模型，并且对补偿特性做了深入的研究和分析。

关键词：滤波器；仿真；单相

随着DSP技术和电力电子技术的不断发展，采用有源电力滤波器是谐波治理的重要措施之一。单相有源电力滤波器的基本原理是从补偿对象中对谐波与无功电流进行检测。在一定控制指令作用下由IPM组成的系统产生一个与无功电流大小相等的谐波，在系统中注入极性相反的电流，这样电网电流就只含有基波电流，达到实时补偿谐波电流的目的[3]。单相有源电力滤波器能跟踪补偿幅值和频率都变化的谐波，因而受到广泛的重视。本文对单相有源电力滤波器的仿真进行了研究，通过matalb仿真，分析该滤波器的工作特性，进而找到控制谐波污染的手段。

1 单相有源电力滤波器的matlab建模

利用MATLAB仿真软件，将单相并联有源滤波器的谐波和无功电流检测及电流跟踪控制综合起来，搭建单相并联有源滤波器仿真电路。图1是未加有源电力滤波器时单相整流电路仿真模型，图2、3分别是其对应的电压和电流波形。

图1原系统仿真模型

                            图2 电网电压波形

图3未投入有源滤波器前示波器观测到的电网电流波形

可见，在未加滤波器时电网电流发生了畸变，其中三次谐波含量=16.74%,五次谐波含量=10.69%，七次谐波含量=6.01%，九次谐波含量=3.18%，十一次谐波含量=1.11%。

2 单相并联有源滤波器的建模与仿真

2.1单相并联有源滤波器的仿真模型

单相并联有源滤波器仿真模型由滤波器和非线性负载构成，滤波器选用单相并联有源滤波器，非线性负载由可控整流桥和电阻负载构成，其模型图如图5？所示。

图4 系统模型图

利用MATLAB进行仿真，其仿真模型图如图6？所示。单相电压源模块产生670V的单相交流电压，模拟实际电网电压。非线性负载由可控整流桥和电阻负载构成，模拟电网实际负载。电压测量模块测量电网电压，电流测量模块测量电网电流，背景为黄色（科技论文一般不能彩色打印）的模块是基于瞬时无功理论的谐波和无功电流检测模块子系统。背景为红色的是电压、电流互感器，采集电网中的电流和电网电压。

图5单相并联有源滤波器simulink仿真

电流内环控制采用滞环电流控制。交流侧电感=6mH, =7mH。直流电压为800V。负载电阻选R=10Ω。则负载电流I=/R=67A。若选选择环宽为补偿指令电流信号的，其值应该为3A。给滞环比较器送入初始值，仿真时间定为4s，步长定为50e-6。启动仿真，得到补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号，补偿后电网电流分别如下图所示。

图6滤波后电网电流

图7补偿电流的指令信号与实际的补偿电流信号跟踪情况。

图8 IPM模块的开关1和开关3的导通情况

经计算得到开关管的平均频率f=6KHz。

2.2 控制参数对滤波效果影响分析

2.2.1控制环宽度对滤波效果的影响

其他参数不变,将环宽变小，研究一下环宽的变化对检测结果的影响。选择环宽为补偿指令电流信号的，其值应该为1.5A。开始仿真得到波形如下

图9环宽为1.5A时的补偿后电网电流波形和谐波分析

图10选取环宽为1.5A时的相邻两开关管的导通情况

主要谐波含量：其中0次谐波（直流分量）含量为6.35%，其中三次谐波含量=1.92%,五次谐波含量=0.56%，七次谐波含量=0.25%，九次谐波含量=0.17%。十一次谐波含量=0.1%。

经计算？，在一周期内，环宽为1.5A时，开关管的平均频率为25KHz。

再将环宽进一步减小，取1A，同时保持其他参数不变，得到电网电流如下图所示：

图11 环宽取1A得到电网电流

图12选取环宽为1A时的相邻两开关管的导通情况

其中0次谐波（直流分量）含量为6.35%，其中三次谐波含量=1.92%,五次谐波含量=0.56%，七次谐波含量=0.25%，九次谐波含量=0.17%,十一次谐波含量=0.1%。计算开关管的平均频率f=30KHz。

从滤波效果来看，环宽的大小对补偿效果几乎没有影响。但环宽的大小对开关管的频率却有很大的影响，环宽越小，开关管频率越大。在一个周期内，实际补偿电流跟踪补偿电流指令变化的情况只受环宽的，当环宽较小时，势必增加开关管的工作频率。

在仿真中发现，当环宽度降低时会明显增加仿真时间，初步分析，是因为环宽的减小带来开关频率的升高，带来处理速度的降低。

另外一方面从补偿效果来看，补偿后的谐波总含量从21.24%降到7.18%。表1为补偿前后主要谐波的含量对比。

表1 补偿前后主要谐波的含量变化

图13 检测出的基波电流

    低通滤波器的选择对检测结果有比较大的影响，即巴特沃斯低通滤波器的阶数越高，截止频率越低，采样频率越大，会使检测结果精度越高。但这样会增大检测环节的时延。综合考虑，选取一般情况下的APF的参数，虽然检测出的基波电流有一些畸变，对补偿效果有一些影响,但可以补偿大部分的谐波，并且大幅度降低了奇次谐波含量。对于直流分量，可通过改变APF的输出滤波电感来降低其含量。

2.2.2 滤波电感对滤波效果的影响

将滤波电感从L1=0.001mH升高为0.01mH，得到电网电流，如图14所示。

图14 L1=0.01mH时的电网电流

其中0次谐波含量为4.87%，3次谐波含量为3.35%，5次谐波含量为2.09%，7次谐波含量为1.47%，9次谐波含量为1.3%，11次谐波含量为0.77%。

继续增大滤波电感L1的数值为0.04mH，得到电网电流，如图15所示。

图15 L1=0.04mH时的电网电流

其中0次谐波含量降低为1.7%，但3次，5次，7次，9次等其他次谐波含量上升，导致整体谐波含量THD增大。所以滤波电感的增大会减少0次谐波的含量，同时会增加其他次谐波的含量。在实际应用中，可以通过在电源侧和有源滤波器之间加耦合变压器(起隔离作用)来达到滤除直流分量的目的。然而有源电力滤波器的引入增加了电网的偶次谐波含有量，可能的原因是引入的APF后，由于电流跟踪控制环节的IPM属非线性元件，在消除谐波的同时也带来了谐波成分，这是APF应用的不利之处。

3结论

在本文，利用 matlab里搭建了单相有源滤波器的仿真模型，分析了有源滤波器投入前和投入后的电网电流变化情况。对比后发现有源滤波器能大幅减少电网电流中奇次谐波含量，但同时会少量增加电网的偶次谐波含有量。分析了环宽大小对检测结果和系统的影响，即在滞环控制里环宽的大小会对补偿的精度有影响，效果不大，但会显著提高开关管的工作频率，并且会带来仿真时间的延长。从这里可以看出精度和处理速度是一对矛盾体，在实际应用中应该综合考虑以确定参数。总体来说电流滞环跟踪控制使补偿电流能够迅速跟踪指令电流，得到比较理想的补偿特性。

参考文献：

[1] 凌季平，高沁翔.并联型电力有源滤波器的仿真研究.北京交通大学电气学院.2010.

[2] 赵成勇，李庚银，李广凯，陈志业.电力牵引系统的预测型谐波电流检测方法研究.2011.

[3] 赵巍.基于DPS的混合有源电力滤波系统的研制.中南大学硕士学位论文. 2010.

[4] 杨君，王兆安.三相电路谐波电流两种检测方法的对比研究.电工技术学报，2010(2):43-48.

[5] 李民，王兆安，卓放.基于瞬时无功功率理论的高次谐波和无功功率检测.电力电子技术，2010.

[6] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿.北京:机械工业出版社，2008.